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太赫兹材料THz materials
太赫兹材料THz materials

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    太赫 (THz) 波是频率为~0.1-10 THz (~3 mm - 30 m 3 cm-1 - 300 cm-1) ,介于微波和中红外区域的电磁波、span>和可见和红外光相比,THz波可以穿透常规的材料,如:皮肤,塑料,衣服或者纸材料。由于光子能量低,因此,他不会造成和离子辐射(X光)一样的损害。这些特点使其能够应用在处理(如药物生产),质量控制以及THZ成像领域。现在也很多人想把它应用在安保,包裹检查,半导体特征分析,化学组成分析以及生物研究领域、/span>

    对于传统的THz应用,我们采用High Resistivity Float Zone Silicon (HRFZ-Si)材料,因为他是研究得*多的材质,而且在THz波段有很好的透过率。同时,我们也研究了可应用在THz波段的其他材料、/p>

    在下面,你就能看到我们采用的其他材料?/span>THz波段的透射光谱和其他特点。我们用ABB皃/span>FTIR光谱?/span>Bomem DA3咋/span>Bruker IFS 125HR (测量精度丹/span>2-3%@< 100 m:/span>4-5% @> 100 m)来测野/span>THZ波。近红外的测量采?/span>Perkin Elmer皃/span>“Lambda- 9 (测量精度< 0.5%)、/span>

    1晶体

    晶体如硅,石英和蓝宝石在THZ光学元件中都是常用的材料、/span>

    1.1高阻硄/strong>(HRFZ-Si)

    除了人造钻石,高阻硅是**的适合极宽范围?1.2 m) 到mm (1000 m)波的各项同性晶体材料。和钻石相比,它要便宜的多,并且生长制造更容易。而且他尺寸更大,更容易制造,THZ技术的快速发展,就基于该优点。对于THZ应用,我们提供在1000 m (对于更长波长?000甚至8000微米)透过率达?0-54%的High Resistivity Float Zone Silicon (HRFZ-Si)、/p>

    Fig.1 Transmission and reflection of HRFZ-Si 5.0 mm-thick sample in THz range.

    HRFZ-Si 在THZ波段传输损耗低。如?所示,HRFZ-Si 中的THZ波形和空气中的波形非常相似。这表明HRFZ-Si 的吸收很少、/p>

    Fig.2 The THz signals transmitted through air and HRFZ-Si.(*)

    合成电解质硅的介电常数由传导率决定(例如:自由电?载流子浓度)。图3显示的是?THZ下,不同纯度下的硅的介电常数.低掺杂的介电常数接近真实值,大约等于高频介电常数。随着掺杂浓度的提高,真实的介电常数将变成负数,而且不能被忽略。介电常数表征的是THZ波的传输损耗特性。损耗系数可以用下面的公式计算:tan=1/(*v*0*R) 这里 圆频率, v 真空下的介电常数?.85*10-12 F/m)?#949;0 –硅的介电常?11.67) R是电阻值。例如,1THZ下,10 kOhm 阻值的HRFZ-Si损耗系数为1.54*10-5、/p>

    Fig.3 Real (solid 1) and imaginary (dashed 2) part of dielectric permittivity of n-type silicon with different impurity concentration at 1 THz.(**)

    1.2石英晶体

    Z-cut的石英晶体是传输50 m以上波长?*材料之一。Z-cut的石英晶体窗口镜传输可见光,很容易用He-Ne激光器来调准直、/p>

    Fig.4 Transmission and reflection of crystal quartz 1.0 mm-thick sample.

    由于色散非常大,石英晶体材料的透镜将对可见和远红外的产生不同的焦距。如果需要对光学系统准直,那就必须考虑透镜的色散:

    波长 m

    no

    ne

    0.589

    1.544

    1.553

    6.0

    1.32

    1.33

    10.0

    2.663

    2.571

    30.0

    2.5

    2.959

    100.0

    2.132

    2.176

    200.0

    2.117

    2.159

    333.3

    2.113

    2.156

    石英晶体是双折射材料,如果电磁波的偏振态很重要,那就必须考虑双折射问题。我们用X-cut的石英晶体来制作/2?#955;/4的THZ波片、/p>

    1.3蓝宝矲/strong>

    蓝宝石和石英晶体一样,对于THZ波段和可见光波段是透明的。可以从下面图看出,对于>600 m波段,光谱传输曲线并不取决于厚度的测量误差。在小于600 m 波段,样品的厚度??mm,透过率变化很大。对于薄的样品,在很短的波长,透过率就已经饱和了、/p>

    Fig. 5 Transmission and reflection of sapphire samples with different thickness.

    就象 HRFZ-Silicon一样,Eachwave提供的蓝宝石也可以在光电导天线上,因为他们对于THZ波段的折射率几乎一样、/p>

    2.聚合?/span>

    在大量聚合物中,有一些对THZ波是透明的,反射率很低。一般意义上说,**的材料是TPX (polymethylpentene) polyethylene (PE) polypropylene (PP),和polytetrafluoroethylene (PTFE or Teflon).对于长波长,这些聚合物的透过率曲线也很平坦 对于短波长,主要?200 m,内部的不均匀性就会导致一些散射和波动。也就是说,聚合物对短波长呈现出不透明的特点、/p>

    2.1Polymethylpentene (TPX)

    TPX 是所有已知聚合物?轻的。它对紫外,可见和THZ波段是透明的。当然也就是可以用He-Ne激光器来进行准直。该聚合物折射率约为1.46,和波长关系不大:

    m

    n

    0.633

    1.463

    24

    1.4568

    60

    1.4559

    300

    1.46

    667

    1.46

    1000

    1.4650

    3191

    1.466

    TPX对mm波的传输损耗非常低。它有非常优良的热阻,并且能抗一些商用的化学品的腐蚀、/p>

    Fig. 6 Transmission of TPX 2 mm-thick sample. THz region.

    Fig. 7 Transmission of TPX 2 mm-thick sample. NIR&MIR regions.

    Fig. 8 Transmission of TPX 2 mm-thick sample. UV&VIS&NIR ranges.

    TPX的主要参数:

    密度 g/cm3

    0.83

    抗张强度

    4100 psi~28.3 MPa

    拉伸模量

    280000 psi~1930.5 MPa

    抗张伸展率, %

    10

    绕曲强度

    6100 psi42.1 MPa

    绕曲模量

    210000 psi1447.8 MPa

    热偏温度 C

    100

    融化温度 F/C

    464/240

    吸水 (ASTM-D 1228) %

    <0.01

    透水汽 (thk 25 m 40C 90%RH) g/m2*24h

    110

    透气性y (thk 100 m) cm3/m2*d*MPa

    120000

    TPX是很硬的固体材料,可以用来加工成不同的光学元件,如透镜和窗口镜。而且通常TPX还可用在CO2激光泵浦分子激光的系统中作为输出窗口镜。因为它对整个THZ波段都是透明的,并且可以反射10微米的泵浦光。TPX窗口镜还可以在低温保持器中作为“冷”窗口。因为TPX在THZ波段的透明度和温度无关,折射率的温度系?.0*10-4 K-1 (for the range 8-120 K)、/p>

    Fig. 9 Temperature dependence of refractive index.(***)

    和其他用在THZ波段的材料比较,TPX的特性更好,例如它是Picarin (Tsurupica)透镜很好的替代品。另外,屹持光电提供的TPX更便宜,而且比Picarin更容易获得、/p>

    Fig. 10 Transmission of 2 mm-thick samples of TPX Picarin and HDPE.

    2.2Polyethylene (PE)

    PE是轻的弹性晶体材料。它可以加热?10C,也可以冷却?45 -120C。PE拥有良好的介电特性,防腐蚀性和抗辐射性。但是,它在紫外波段和油腻的环境下不够稳定。在生物学上来讲,PE很不活跃,很容易处理。在23C下密度为0.91-0.925 g/cm3,张力流限为8-13 MPa,弹性模数为118 - 350 MPa,在很宽的光谱范围内折射率都约为1.54。通常,高密度的polyethylene (HDPE)也来作为组件材料。除了作为厚透镜和窗口镜,薄的HDPE还可用来作为THZ偏振片。我们用HDPE作为Golay Cell的窗口镜、/p>

    Fig. 11 Transmission of 2 mm-thick HDPE sample. THz region.

    Fig. 12 Transmission of 2 mm-thick HDPE sample. NIR&MIR region.

    Fig. 13 Transmission of 2 mm-thick HDPE sample. VIS&NIR region.

    很遗憾, HDPE对可见光的透过率非常低,因此,它不能用来作为光学系统的准直元件、/p>

    我们还应该注意到HDPE的THZ透射率并不取决于温度,因此可以作为低温保持器的窗口镜。折射率的温度系数为6.2*10-4 K-1 (for the range 8-120 K)

    Fig. 14 Temperature dependence of refractive index (***)

    2.3Polytetrafluoroethylene (PTFE Teflon in Russian - Ftoroplast)

    PTFE 在室温下是一种白色的固体,密度约?.2 g/cm3。熔点为327C ?73C 204C温度范围内它的主要特点都差别不大,在比较宽的波段范围内,折射率都约为1.43、/p>

    Fig. 15 Transmission of PTFE film ~0.1 mm-thick. THz region.

    Fig. 16 Transmission of PTFE film ~0.1 mm-thick. NIR&MIR region.

    由于?-7 m波段范围内透明度都很高,PTFE薄片通常用来制作IR偏振片。这种偏振片的价格比晶体材料的便宜。这样就使他们在IR偏振应用中能够得到大量使用、/p>

    PTFE的主要参数:

    抗张强度

    3900psi

    ~26.7 Mpa

    拉伸模量

    8000psi

    ~551.6 MPa

    抗张伸展 (%) 300
    绕曲强度 (psi) No break
    绕曲模量 (psi) 72000
    耐压强度 (psi) 2500
    耐压系数 (psi) 70000

    总结9/strong>

    所有屹持光电提供的的有机材料,如TPX PE和PTFE从~200 m?000 m都有几乎一致的透过率,达到80-90%。当然,他们也可以传输更长的波长、/span>

    由于反射损耗,晶体材料如硅,石英和蓝宝石在THZ波段的透过率很低。对于硅材料,从50 m开始,透过率为50-54%;对于石英,?20 m开始,透过玆70%;对?-2mm厚的蓝宝石,?50 m开始透过玆50%、/span>

    创新炸/div>

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